JP2022091415A - モータの駆動装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】回路変更を行うことなくレアショートの発生に対処できる、モータの駆動装置を提供する。【解決手段】本発明に係るモータの駆動装置は、モータの制御信号を出力する制御装置と、パワーモジュールであって、半導体スイッチと、出力電流に比例するセンス電流を出力する電流検出部と、前記制御信号を取得して前記半導体スイッチのオン,オフを制御する制御部であって、出力電流の過電流異常が生じたときに出力電流を制限する過電流保護機能を備えた前記制御部と、を集積化してなる、前記パワーモジュールと、を備え、前記制御装置は、前記電流検出部が出力するセンス電流を取得し、前記センス電流と閾値とに基づいてレアショートの発生を検知したときに、前記モータの駆動電流を制限する異常時処理を実施する。【選択図】図3

Description

本発明は、モータの駆動装置に関する。
特許文献1が開示するモータ駆動回路は、2つのスイッチング素子からなるハーフブリッジ回路を複数有するとともに、前記スイッチング素子の駆動を制御する制御回路を有し、前記ハーフブリッジ回路を介してモータの巻線に駆動電圧を印加するモータ駆動回路であって、いずれかのハーフブリッジ回路の出力端子と一方の直流電源線との間に接続されたコンデンサと、前記コンデンサが接続されたハーフブリッジ回路とは異なるハーフブリッジ回路の一方のスイッチング素子をオンさせる駆動パルスを生成する駆動パルス生成回路と、前記コンデンサの端子電圧としきい値電圧とを比較する電圧比較回路と、前記コンデンサの電荷を初期化した上で前記制御回路により全てのスイッチング素子がオフされている期間に前記駆動パルス生成回路に駆動パルスを出力させる通電制御回路と、前記駆動パルスの出力後、前記電圧比較回路の出力信号に基づいて前記巻線の異常を判定する異常判定回路とを備える。
特開2009-254199号公報
ところで、過電流保護機能や過熱保護機能を備えたパワーモジュール(換言すれば、インテリジェントパワーデバイスIPDあるいはインテリジェントパワーモジュールIPM)を用いてモータを駆動制御する駆動装置において、デッドショートが発生すると、パワーモジュールの過電流保護機能が、デッドショートに伴う過電流異常の発生を検知して半導体スイッチをオフする。
しかし、レアショートが発生した場合は過電流保護機能が働かず、半導体スイッチの異常発熱が発生して過熱保護機能が働くまで、モータの駆動を停止させることができないという問題があった。
本発明は、従来の実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、回路変更を行うことなくレアショートの発生に対処できる、モータの駆動装置を提供することにある。
本発明に係るモータの駆動装置によれば、その一態様において、モータの制御信号を出力する制御装置と、パワーモジュールであって、半導体スイッチと、出力電流に比例するセンス電流を出力する電流検出部と、前記制御信号を取得して前記半導体スイッチのオン,オフを制御する制御部であって、出力電流の過電流異常が生じたときに出力電流を制限する過電流保護機能を備えた前記制御部と、を集積化してなる、前記パワーモジュールと、を備え、前記制御装置は、前記電流検出部が出力するセンス電流を取得し、前記センス電流と閾値とに基づいてレアショートの発生を検知したときに、前記モータの駆動電流を制限する異常時処理を実施する。
本発明によれば、回路変更を行うことなくレアショートの発生に対処できる。
モータの駆動装置の回路図である。 パワーモジュールの構成を示す回路である。 レアショートの診断手順を示すフローチャートである。 モータの駆動電流の通常制御電流領域及び実力動作可能領域を示す線図である。
以下、本発明に係るモータの駆動装置の実施形態を、図面に基づいて説明する。
図1は、モータの駆動装置の一態様を示す回路図である。
モータ100は、例えば、自動車用内燃機関が備える可変圧縮比機構や可変動弁機構などのアクチュエータとして用いられるモータである。
駆動装置200は、第1パワーモジュール300A、第2パワーモジュール300B、及び制御装置400を有する。
第1パワーモジュール300A及び第2パワーモジュール300Bは、直流電源であるバッテリ510の正極510Aと負極510Bとの間に並列接続され、制御装置400によってオン,オフが制御される半導体リレー520を介してバッテリ510からの電源供給を受ける。
図2は、第1パワーモジュール300A及び第2パワーモジュール300Bの構成を示す回路である。
第1パワーモジュール300Aは、直列接続された2つの半導体スイッチ310A1,310A2を有し、同様に、第2パワーモジュール300Bは、直列接続された2つの半導体スイッチ310B1,310B2を有する。
半導体スイッチ310A1,310A2及び半導体スイッチ310B1,310B2として、例えば、MOSFETやIGBTなどのパワー半導体素子が用いられる。
そして、半導体スイッチ310A1と半導体スイッチ310A2との間が、モータ100の第1端子100Aと接続され、半導体スイッチ310B1と半導体スイッチ310B2との間が、モータ100の第2端子100Bと接続される。
これにより、第1パワーモジュール300A及び第2パワーモジュール300Bは、モータ100を正転方向及び逆転方向に駆動可能なHブリッジ回路を構成する。
また、第1パワーモジュール300Aは、制御装置400から制御信号を取得して半導体スイッチ310A1,310A2のオン,オフを制御する制御部320Aと、出力電流に比例するセンス電流Isを出力する電流検出部330Aと、センス電流Isなどを外部に出力する信号出力部340Aを有する。
第2パワーモジュール300Bは、制御装置400から制御信号を取得して半導体スイッチ310B1,310B2のオン,オフを制御する制御部320Bと、出力電流に比例するセンス電流Isを出力する電流検出部330Bと、センス電流Isなどを外部に出力する信号出力部340Bを有する。
第1パワーモジュール300Aは、上記の半導体スイッチ310A1,310A2、制御部320A、電流検出部330A、信号出力部340Aなどを、1チップ上に組み込んで集積化したパワーIC(換言すれば、インテリジェントパワーモジュールIPMあるいはインテリジェントパワーデバイスIPD)である。
同様に、第2パワーモジュール300Bは、上記の半導体スイッチ310B1,310B2、制御部320B、電流検出部330B、信号出力部340Bなどを、1チップ上に組み込んで集積化したパワーIC(換言すれば、インテリジェントパワーモジュールIPMあるいはインテリジェントパワーデバイスIPD)である。
制御部320Aは、出力電流の過電流異常が発生しているか否かを示す過電流保護信号を生成して過電流保護機能を実現する過電流保護回路321Aや、半導体スイッチ310A1,310A2周辺の温度を検出する温度検出素子(図示省略)を含み、異常発熱が発生しているか否かを示す過熱保護信号を生成して過熱保護機能を実現する過熱保護回路322Aなど各種保護回路を備える。
同様に、制御部320Bは、出力電流の過電流異常が発生しているか否かを示す過電流保護信号を生成して過電流保護機能を実現する過電流保護回路321Bや、半導体スイッチ310B1,310B2周辺の温度を検出する温度検出素子(図示省略)を含み、異常発熱が発生しているか否かを示す過熱保護信号を生成して過熱保護機能を実現する過熱保護回路322Bなど各種保護回路を備える。
そして、制御部320A,320Bは、各種保護信号を監視し、過電流異常や過熱異常などの異常が発生すると、出力電流を制限する異常時処理を実施する。
なお、出力電流を制限する異常時処理は、出力電流を通常よりも低く制限する処理であり、出力電流を遮断する処理を含む。
電流検出部330A,330Bは、出力電流(換言すれば、主電流)に比例するセンス電流Isを生成して信号出力部340A,340Bに出力する。
ここで、半導体スイッチ310A1,310A2は、出力電流から分流したセンス電流が流れる検出電流端子を備え、係る検出電流端子に接続される電流検出部330A,330Bは、センス電流Is(あるいは、センス電流Isを電流電圧変換したセンス電圧Vs)を得る。
信号出力部340A,340Bは、制御部320A,320Bから出力選択信号を取得し、出力選択信号に応じて、センス電流Is(あるいはセンス電圧Vs)と固定出力とのいずれか一方を外部端子ISに出力する。
制御部320A,320Bは、過電流異常や過熱異常などの異常状態が発生しているときは、固定出力の選択を指令する出力選択信号を信号出力部340A,340Bに出力し、過電流異常や過熱異常などの異常状態が発生していないときは、センス電流Isの選択を指令する出力選択信号を信号出力部340A,340Bに出力する。
つまり、前述した固定出力は、過電流異常や過熱異常などの異常が発生していることを示す異常フラグに相当する。
制御装置400は、MPU(Microprocessor Unit)などの演算処理装置を備えたマイクロコンピュータあるいは制御ICである。
例えば、モータ100が、自動車用内燃機関が備える可変圧縮比機構のアクチュエータとして用いられる場合であって、可変圧縮比機構が、モータ100によって回転駆動される制御軸の角度によって圧縮比を可変とする機構である場合、制御装置400は、制御軸の角度を内燃機関の運転状態に応じた目標角度に制御するための制御信号(換言すれば、操作量)を求め、制御部320A,320Bに出力する。
また、制御装置400は、第1パワーモジュール300A及び第2パワーモジュール300Bの外部端子ISから取得したセンス電流Isと閾値電流との比較結果に基づいて、サーボ系にレアショートが発生しているか否かを診断し、レアショートの発生を検知したときにモータ100の駆動電流を制限する異常時処理を実施する。
図3のフローチャートは、制御装置400が実施するレアショート診断の手順を示すフローチャートである。
なお、レアショートとは、完全なショート(デッドショート)とは異なって短絡抵抗値がある値になった状態であり、例えば、モータ100の巻線の被覆の絶縁抵抗が小さくなって短絡した状態である。
制御装置400は、ステップS901で、外部から取得した各種情報に基づいて通常に制御信号を演算し、演算した制御信号を第1パワーモジュール300A及び第2パワーモジュール300B(詳細には、制御部320A,320B)に出力する。
次いで、制御装置400は、ステップS902に進み、第1パワーモジュール300A及び第2パワーモジュール300Bの外部端子ISから取得したセンス電流Isと、閾値電流Ith(換言すれば、設定電流値)とを比較する。
制御装置400は、前記閾値電流Ithを、モータ100の通常電流領域よりも高い動作可能電流領域内に設定する。
図4は、モータ100への通電開始からのモータ駆動電流の変化を示すタイムチャートであり、通電開始直後の所定時間は、突入電流により駆動電流は高くなるが、所定時間が経過すると、ショート異常などが発生していない正常状態では、駆動電流は通常電流領域内で制御される。
上記の通常電流領域よりも電流が高い領域には、実力として動作可能な電流領域が存在し、更に、実力の動作可能電流領域よりも電流が高い領域は、動作不能領域となる。
一方、センス電流Isは、温度などによって検出誤差を生じ、精度ばらつきがある。
そこで、センス電流Isの精度ばらつきを考慮して、動作可能電流領域内でレアショートの誤検出を抑止できる閾値電流Ithを予め適合し、制御装置400に設定しておく。
制御装置400は、ステップS902で、センス電流Isが閾値電流Ithまたは閾値電流Ithよりも高い(Is≧Ith)場合はレアショートが発生している可能性があると判断してステップS903に進み、センス電流Isが閾値電流Ith未満である場合は出力電流に異常はないと判断してステップS901に戻る。
制御装置400は、ステップS903で、センス電流Isが閾値電流Ithまたは閾値電流Ithよりも高い状態(Is≧Ith)の継続時間Tが、所定時間Tthまたは所定時間Tthよりも長くなっているか否かを判断する。
前記所定時間Tthは、突入電流によってセンス電流Isが閾値電流Ithまたは閾値電流Ithよりも高くなっているときに、レアショートの発生を誤判定しないように、通電開始から出力電流が突入電流によって通常よりも高くなる時間に基づき設定される。
つまり、前記所定時間Tthは、突入電流によってセンス電流Isが閾値電流Ithまたは閾値電流Ithよりも高くなる時間よりも長い時間に設定される。
制御装置400は、ステップS903で、センス電流Isが閾値電流Ithまたは閾値電流Ithよりも高い状態(Is≧Ith)の継続時間Tが所定時間Tthよりも短いと判断した場合、突入電流によって出力電流が通常よりも高くなっている可能性があるので、ステップS901に戻って通常に制御信号を演算する。
一方、制御装置400は、ステップS903で、センス電流Isが閾値電流Ithまたは閾値電流Ithよりも高い状態(Is≧Ith)の継続時間Tが、所定時間Tthまたは所定時間Tthよりも長くなっていると判断すると、レアショートの発生を検知して、ステップS904に進む。
制御装置400は、ステップS904で、第1パワーモジュール300Aの半導体スイッチ310A1,310A2及び第2パワーモジュール300Bの半導体スイッチ310B1,310B2をオフする制御信号を出力し、第1パワーモジュール300A及び第2パワーモジュール300Bの出力電流を遮断する。
なお、制御装置400は、ステップS904で、第1パワーモジュール300A及び第2パワーモジュール300Bの出力電流を徐々に低下させ、あるいは、所定電流まで出力電流を低下させるなどの出力電流を制限する異常時処理を実施できる。
制御装置400は、次のステップS905で、サーボ系の異常を診断した結果、詳細には、レアショートの発生を検知したことを、メモリに保存したり、外部機器に対して通知したりする。
更に、制御装置400は、次のステップS905で、半導体リレー520をオフして、第1パワーモジュール300A及び第2パワーモジュール300Bへの電源供給を遮断する。
上記のように、制御装置400は、第1パワーモジュール300A及び第2パワーモジュール300Bが出力するセンス電流Isを取得し、取得したセンス電流Isと閾値電流Ithとを比較して、サーボ系におけるレアショートの有無を診断する。
これにより、回路変更を行うことなく、制御装置400は、レアショートの診断を行え、レアショートの発生に対して出力電流を制限する異常時処理を実施できる。
ここで、レアショートの発生に伴って第1パワーモジュール300A及び第2パワーモジュール300Bの出力電流が増加し、半導体スイッチ310A1,310A2,310B1,310B2の温度が上昇すると、過熱保護回路322Aによる過熱保護機能によって出力電流の制限が実施される。
しかし、制御装置400は、レアショートによる過熱が発生する前に、センス電流Isに基づきレアショートの発生を検知して出力電流を制限することができる。
また、センス電流Isは精度ばらつきがあるが、閾値電流Ithを、センス電流Isの精度ばらつき、通常電流領域、動作可能電流領域などを考慮して適合することで、レアショートの発生を十分な精度で診断できる。
更に、制御装置400は、センス電流Isが閾値電流Ithまたは閾値電流Ithよりも高い状態が所定時間を超えて継続していることを条件にレアショートの発生を判断するから、突入電流などによって一時的にセンス電流Isが上昇したときに、レアショートの発生を誤判断することを抑止できる。
なお、サーボ系にデッドショートが発生した場合、第1パワーモジュール300A及び第2パワーモジュール300Bが備える過電流保護機能によって出力電流を制限する処理が実施され、制御装置400は、外部端子ISが固定出力であることに基づき第1パワーモジュール300A及び第2パワーモジュール300Bにおいて保護機能が働いていることを知ることができる。
上記実施形態で説明した各技術的思想は、矛盾が生じない限りにおいて、適宜組み合わせて使用することができる。
また、好ましい実施形態を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の変形態様を採り得ることは自明である。
例えば、制御装置400は、モータ100への通電開始から所定時間内であるとき、つまり、突入電流が発生する期間において、センス電流Isに基づくレアショートの診断をキャンセルすることができる。
また、制御装置400は、温度条件によってセンス電流Isの出力ばらつきが生じる場合、温度条件に基づきセンス電流Is及び/または閾値電流Ithを補正することで、レアショートの診断精度が低下することを抑止できる。
100…モータ、200…駆動装置、300A…第1パワーモジュール、300B…第2パワーモジュール、310A1,310A2…半導体スイッチ、310B1,310B2…半導体スイッチ、320A,320B…制御部、321A,321B…過電流保護回路、330A,330B…電流検出部

Claims (3)

  1. モータの駆動装置であって、
    前記モータの制御信号を出力する制御装置と、
    パワーモジュールであって、
    半導体スイッチと、
    出力電流に比例するセンス電流を出力する電流検出部と、
    前記制御信号を取得して前記半導体スイッチのオン,オフを制御する制御部であって、出力電流の過電流異常が生じたときに出力電流を制限する過電流保護機能を備えた前記制御部と、
    を集積化してなる、前記パワーモジュールと、
    を備え、
    前記制御装置は、前記電流検出部が出力するセンス電流を取得し、前記センス電流と閾値とに基づいてレアショートの発生を検知したときに、前記モータの駆動電流を制限する異常時処理を実施する、
    モータの駆動装置。
  2. 請求項1記載のモータの駆動装置であって、
    前記制御装置は、
    前記センス電流が前記閾値または前記閾値より高い状態の継続時間が所定時間内であるときは、前記モータの駆動電流を通常に制御し、前記継続時間が前記所定時間を超えたときに前記異常時処理を実施する、
    モータの駆動装置。
  3. 請求項1記載のモータの駆動装置であって、
    前記制御装置は、
    前記閾値を、前記モータの通常電流領域よりも高い動作可能電流領域内に設定する、
    モータの駆動装置。
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